Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi lợn sau quá trình xử lý yếm khí bằng phương pháp sbr

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM KHOA TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG BÁO CÁO KẾT QUẢ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG MÃ SỐ: TN 2012 - 82 TÊN ĐỀ TÀI: “NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI LỢN SAU Q TRÌNH XỬ LÝ YẾM KHÍ BẰNG PHƯƠNG PHÁP SBR TẠI TRUNG TÂM THỰC HÀNH THỰC NGHIỆM TRƯỜNG ĐẠI HỌC NƠNG LÂM THÁI NGUN” CHỦ TRÌ ĐỀ TÀI: ĐẶNG THỊ HỒNG PHƯƠNG THÁI NGUYÊN - 2013 TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM KHOA TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG BÁO CÁO KẾT QUẢ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG MÃ SỐ: TN 2012 - 82 TÊN ĐỀ TÀI: “NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI LỢN SAU Q TRÌNH XỬ LÝ YẾM KHÍ BẰNG PHƯƠNG PHÁP SBR TẠI TRUNG TÂM THỰC HÀNH THỰC NGHIỆM TRƯỜNG ĐẠI HỌC NƠNG LÂM THÁI NGUN” Chủ trì đề tài: ĐẶNG THỊ HỒNG PHƯƠNG Thời gian thực hiện: 1/2012 – 12/2012 Địa điểm nghiên cứu: ĐH Nông lâm Thái Nguyên THÁI NGUYÊN - 2013 TÓM TẮT KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP CƠ SỞ Tên đề tài: “Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi lợn sau q trình xử lý yếm khí phương pháp SBR trung tâm thực hành thực nghiệm Đại học Nông lâm Thái Nguyên” Mã số: T2012-82 Chủ nhiệm đề tài: Đặng Thị Hồng Phương Tel.: 0976177083 E-mail: hongphuong83@gmail.com Cơ quan chủ trì đề tài: Trường Đại học Nơng lâm Thái Nguyên Cơ quan cá nhân phối hợp thực hiện: Thời gian thực hiện: 1/2012-1/2013 Mục tiêu: - Đánh giá khả loại COD, N nước thải chăn ni lợn sau q trình xử lý yếm khí cơng nghệ SBR; - Nghiên cứu đưa chế độ vận hành tối ưu cho hệ thiết bị SBR Nội dung chính: - Ảnh hưởng chế độ sục khí đến hiệu xử lý nước thải trình SBR - Ảnh hưởng chế độ cấp nước thải đến hiệu xử lý nước thải q trình SBR Kết đạt được: - Hệ thống SBR có hiệu suất xử lý COD nước thải chăn nuôi lợn cao, không phụ thuộc vào chế độ vận hành - Hiệu xử lý N-NH4+ đạt tương đối cao ổn định (đạt xấp xỉ 99%) - Hiệu suất xử lý T-N 85% chế độ chu trình bao gồm hai q trình hiếu khí – thiếu khí xử lý đạt hiệu cao - Chế độ cấp nước lần với tỷ lệ cấp nước lần 2:1 cho hiệu xử lý cao Hiệu suất xử lý N-NH4+ T-N tương ứng đạt 100% 90% 2 SUMMARY Project Title: “Research on pig livestock wastewater treatment process after anaeration treatment by SBR method in the practical center of Thai Nguyen University of Agriculture and Forestry ” Code number: Coordinator: Đặng Thị Hồng Phương Tel: 0976177083 Email: hongphuong83@gmail.com Implementing Institution: Thai Nguyen University of Agriculture and Forestry Duration: from 1/2011 to 12/2012 Objectives: - Assessment of COD, N in pig wastewater after anaerobic treatment process of SBR technology; - Research the optimal operation mode for SBR system Main contents: - Study on the effect of regime aeration process to pig livestock wastewater treament process after anaeration treatment by SBR - Study on the effect of wastewater mode to the wastewater treatment efficiency of the SBR process Results obtained: - SBR system had COD removal efficiency of swine wastewater is very high, it was not depend on the operating mode - The efficient treatment of N-NH4+ was relatively high and stable (approximately 99%) - T-N treatment efficience was 85% in mode cycle which included two process: aerobic and lack of gas were the most effective treatment - water supply Mode with times and rate of water supply 2:1 were the highest treatment efficiency Effective Process of N-NH 4+ and T-N were 100% and 90%, respectively 3 PHẦN MỞ ĐẦU 1.1 Đặt vấn đề Chăn nuôi lĩnh vực gắn liền với sống người Để đáp ứng nhu cầu ăn uống người lượng thịt để tiêu thụ phải đảm bảo đáp ứng nhu cầu Tuy nhiên, bên cạnh đóng góp tích cực cho phát triển kinh tế - xã hội, việc phát triển chăn nuôi lợn để lại tác động tiêu cực đến mơi trường, làm suy thối chất lượng đất, chất lượng nước khơng khí xung quanh khu vực nuôi lợn Chất thải chăn nuôi lợn gây ảnh hưởng xấu đến môi trường xung quanh, đến sức khỏe người đặc biệt, chúng đóng góp phần lớn khí gây hiệu ứng nhà kính, biến đổi khí hậu Ở Việt Nam, chăn nuôi, đặc biệt chăn nuôi lợn coi mạnh ngành nông nghiệp Hiện nay, bối cảnh thức ăn chăn nuôi, vật tư chăn nuôi tăng, với sức cạnh tranh, vấn đề kiểm sốt dịch bệnh nên việc chăn ni hộ gia đình có xu hướng giảm chăn nuôi gia trại, trang trại tăng nhanh tạo khả cạnh tranh thị trường Do vậy, vấn đề chất thải phát sinh từ hoạt động chăn nuôi lợn cần phải quản lý tốt Chất thải trang trại chăn nuôi lợn với thành phần chủ yếu phân lợn nước thải vấn đề lo lắng nhà quản lý Hầu hết việc xử lý chất thải hộ chăn nuôi lắp đặt hệ thống xử lý chất thải Biogas, hệ thống chưa đủ công suất đáp ứng nhu cầu xử lý toàn chất thải mà đạt 50% - 70% lượng chất thải trang trại Tuy nhiên, với nhiều trang trại có hầm biogas, có hệ thống xử lý chất thải chất thải chưa xử lý triệt để [15] Việc sử dụng bể Biogas trại chăn nuôi thuận tiện cho sử dụng chất thải khai thác nguồn lượng nước thải sau bể Biogas cịn nhiều chất gây nhiễm mơi trường cần xử lý trước thải vào môi trường Từ đặc tính nước thải ngành chăn ni thực tế công nghệ áp dụng để xử lý nước thải chăn ni lợn sau q trình xử lý yếm khí (biogas), cơng nghệ SBR (các q trình xử lý chất hữu nitơ thực bể) dễ dàng đáp ứng yêu cầu xử lý nước thải chăn nuôi Đề tài “Nghiên cứu xử nước thải chăn ni lợn sau q trình xử lý yếm khí phương pháp SBR trung tâm thực hành thực nghiệm Trường Đại học Nông lâm Thái Nguyên” thực nhằm mục đích tìm khả ứng dụng phương pháp SBR nỗ lực đảm bảo nước thải sau xử lý đạt quy chuẩn môi trường, giảm thiểu ô nhiễm môi trường 1.2 Mục tiêu đề tài - Đánh giá khả loại COD, N nước thải chăn ni lợn sau q trình xử lý yếm khí cơng nghệ SBR; - Nghiên cứu đưa chế độ vận hành tối ưu cho hệ thiết bị SBR 1.3 Yêu cầu đề tài - Lắp đặt hệ thí nghiệm xử lý nước thải chăn ni lợn sau q trình xử lý yếm khí phương pháp SBR - Lấy mẫu, phân tích hàm lượng hữu cơ, tổng N, COD, NO3-, NO2-, NH4+ nước thải đầu vào nước thải sau qua hệ thống thí nghiệm, đưa hiệu suất xử lý - Đưa yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý COD, Nitơ nước thải chăn nuôi lợn phương pháp SBR 1.4 Ý nghĩa đề tài 1.4.1 Ý nghĩa nghiên cứu khoa học Kết đề tài móng cho nghiên cứu việc xử lý triệt để chất hữu cơ, N, P nước thải chăn nuôi lợn Việt Nam 1.4.2 Ý nghĩa thực tiễn Đề tài có ý nghĩa thực tiễn Kết đề tài góp phần đưa mơ hình xử lý nước thải chăn ni lợn sau q trình xử lý yếm khí, phổ cập sử dụng hộ, trang trại chăn nuôi lợn 5 PHẦN TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2.1 Cơ sở khoa học đề tài 2.1.1 Cơ sở lý luận Theo đánh giá Tổ chức Nông Lương Thế giới (FAO): Châu Á trở thành khu vực sản xuất tiêu dùng sản phẩm chăn nuôi lớn Chăn nuôi Việt Nam, giống nước khu vực phải trì mức tăng trưởng cao nhằm đáp ứng đủ nhu cầu tiêu dùng nước bước hướng tới xuất Trong thời gian qua, ngành chăn nuôi nước ta phát triển với tốc độ nhanh, bình quân giai đoạn 2001 - 2006 đạt 8,9% Trong số nước thuộc khối Asean, Việt Nam nước chịu áp lực đất đai lớn Tốc độ tăng dân số q trình thị hóa làm giảm diện tích đất nơng nghiệp Để đảm bảo an toàn lương thực thực phẩm, biện pháp thâm canh chăn nuôi chăn ni lợn thành phần quan trọng định hướng phát triển Trong năm gần đây, ngành chăn nuôi lợn phát triển với tốc độ nhanh chủ yếu tự phát chưa đáp ứng tiêu chuẩn kỹ thuật chuồng trại kỹ thuật chăn ni Do đó, suất chăn nuôi thấp gây ô nhiễm môi trường cách trầm trọng Ơ nhiễm mơi trường khơng ảnh hưởng đến sức khỏe vật nuôi, suất chăn nuôi mà ảnh hưởng lớn đến sức khỏe người môi trường sống xung quanh Mỗi năm ngành chăn nuôi gia súc gia cầm thải khoảng 75 - 85 triệu phân, với phương thức sử dụng phân chuồng không qua xử lý ổn định nước thải không qua xử lý xả trực tiếp môi trường gây ô nhiễm nghiêm trọng [3] Cho đến nay, chưa có báo cáo đánh giá chi tiết đầy đủ ô nhiễm môi trường ngành chăn nuôi gây Theo báo cáo tổng kết Viện Chăn nuôi, hầu hết hộ chăn nuôi để nước thải chảy tự môi trường xung quanh gây mùi hôi thối nồng nặc, đặc biệt vào ngày oi Nồng độ khí H2S NH3 cao mức cho phép khoảng 30 - 40 lần Tổng số VSV bào tử nấm cao mức cho phép nhiều lần Ngoài nước thải chăn ni cịn có chứa COD, coliform, e.coli, v.v., trứng giun sán cao nhiều lần so với tiêu chuẩn cho phép Khả hấp thụ Nitơ Photpho gia súc, gia cầm kém, nên thức ăn có chứa Nitơ Photpho vào chứng bị bào tiết theo phân nước tiểu Trong nước thải chăn nuôi thường chứa hàm lượng Nitơ Photpho cao [14] Theo Jongbloed Lenis (1992), lợn trưởng thành, ăn vào 100g Nitơ thì: 30g giữ lại thể, 50g tiết ngồi theo nước tiểu dạng ure, cịn 20g dạng phân Nitơ vi sinh khó phân hủy an tồn cho mơi trường Nitơ tiết ngồi theo nước tiểu phân dạng ure, sau ure tiết enzime ureaza chuyển hóa ure thành NH3, NH3 phát tán vào khơng khí gây mùi khuếch tán vào nước làm ô nhiễm nguồn nước Nồng độ NH3 nước thải phụ thuộc vào lượng urê nước tiểu pH nước thải Khi pH tăng, NH4+ chuyển thành NH3 Ngược lại, pH giảm, NH3 chuyển thành NH4+ Hợp chất nitơ bền khơng có hậu xấu với mơi trường khí N2 Xử lý hợp chất N nước thải với mục tiêu cao phương diện công nghệ chuyển chúng dạng khí nitơ Khả loại bỏ N, P qua trình xử lý nước thải: - Trong trình xử lý sơ lắng nồng độ N giảm khoảng 5-10% hợp chất N giữ lại hợp chất lắng - Trong q trình xử lý yếm khí q trình oxy hóa amoni không diễn phần nhỏ tham gia tổng hợp sinh khối Trong trình yếm khí chuyển hóa từ dạng N-hữu dạng N-vơ qua q trình thủy phân - Trong q trình xử lý hiếu khí so với q trình phân hủy COD q trình oxy hóa N-amoni thành Nitrit Nitrat diễn chậm nhiều Như nước thải chăn ni lợn có hàm lượng N, P cao – thành phần N, P dư so với nhu cầu tổng hợp tế bào Vậy cần có q trình thiếu khí để thực q trình khử nitrat Bảng 2.1 Hiệu xử lý N cơng trình xử lý thơng thường Đơn vị cơng nghệ Lắng Xử lý bậc Tổng hợp tế bào Nitrat hóa Khử Nitrat Hồ oxy hóa Nhữa 10 – 20 10 - 50 ít Hiệu xử lý (%) N-NH4+ N-NO3NO380-90 Bay nitrat Tổng N – 10 10 - 30 3-70 5-20 70-95 20-90 (Nguồn: Trần Thanh Hải (2009) Giải pháp công nghệ xử lý nước thải chăn nuôi lợn phương pháp sinh học phù hợp với điều kiện Việt Nam) Trong trình xử lý nước thải ln tồn nhiều chủng loại VSV có khả sống môi trường Tỷ lệ loại VSV quần thể phụ thuộc vào thành phần nước thải Trong điều kiện hiếu khí, tỷ lệ VSV hiếu khí dị dưỡng (oxy hóa Chữa cơ) loại VSV hiếu khí tự dưỡng (oxy hóa NH4+), tỷ lệ VSV phụ thuộc vào tỷ lệ BOD/N thể bảng sau: Bảng 2.2 Ảnh hưởng tỷ lệ BOD/T-N đến Vi VSV sinh vật tự sinh vật tự Tỷ lệ BOD/TKN (%) Tỷ lệ BOD/TKN tự dưỡng hệ hiếu Vi khí dưỡng (%) 35,0 21,0 12,0 8,3 6,4 0,5 dưỡng (%) 5,4 4,3 3,7 3,3 2,9 (Nguồn: Mecalf & Eddy Wastewater engineering, Treatment, disposal and reuse.) Cơ sở lý thuyết loại bỏ hợp chất N nước thải: Quá trình khử hợp chất N sơ đồ hóa sau: NH4+ Nước nước Amơn hố NH4+ (→ NO2-→ NO3-) (→ NO2→ N2 ) Nitrat hóa Khử nitrat N-hữu 2.1.2 Cơ sở thực tiễn Nước thải chăn nuôi thuộc loại giàu SS, COD, N, P, để xử lý nước thải chăn ni kĩ thuật yếm khí ln lựa chọn Ở nước châu Âu Mĩ, Anh, nước chất thải chăn nuôi coi nguồn nguyên liệu để sản xuất biogas thu hồi lượng Ở Đức, lượng biogas từ chất thải chăn nuôi nguồn thải hữu khác đưa vào cán cân lượng quốc gia để đạt mục tiêu 20% lượng sử dụng lượng tái tạo vào 2020 Tuy nhiên, nước thải chăn nuôi lợn nguồn thải ô nhiễm trầm trọng môi trường, loại nước thải khó xử lý, nồng độ hữu nitơ nước thải cao Vì vậy, phát triển cơng nghệ xử lý nước thải chăn ni lợn có hiệu kinh tế quan tâm đặc biệt nhà khoa học giới Việt Nam Đối với loại nước thải này, xử lý q trình sinh học yếm khí thường khơng triệt để, vấn lượng lớn chất hữu phần lớn thành phần dinh dưỡng N, P Do vậy, sau q trình xử lý yếm khí, bước q trình sinh học hiếu khí – thiếu khí kết hợp (xử lý phần hữu cịn lại phần lớn thành phần dinh dưỡng N, P), cuối bước xử lý bổ sung nhằm giảm thiểu tối đa thành phần dinh dưỡng Một số q trình hiếu khí – thiếu khí thường nghiên cứu ứng dụng nhiều xử lý nước thải chăn nuôi lợn sau: Phương pháp bùn hoạt tính hiếu khí – thiếu khí kết hợp, phương pháp lọc sinh học ngập nước thiếu – hiếu khí kết hợp, phương pháp mương oxy hóa, phương pháp anamox phương pháp SBR Trên giới có nhiều nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi lợn nhiều loại nước thải công nghiệp khác (nước thải chế biến thực phẩm, nước thải nhà máy sữa, nước thải giết mổ gia súc, v.v.) phương pháp SBR [17] Kết nghiên cứu Kim [19] nước thải chăn nuôi lợn (COD = 1000 mg/L, N-NH4+ = 3400 mg/L, T-P = 145 mg/L), khoảng tải trọng 0,063 – 0,25 kg-COD/m3-ngày, với chu trình xử lý 12h cho thấy hiệu suất xử lý đạt 57,4 – 87,4% COD, 90,8 – 94,7% NNH4+ Kết nghiên cứu Edgerton [3], với nước thải đầu vào có COD = 4500 mg/L, N-NH4+ = 250 mg/L, T-P = 383 mg/L, với trình yếm khí/hiếu khí/thiếu khí, tải trọng 1,18 kg-COD/m3-ngày, chu trình xử lý 12 h cho hiệu xử lý 79%, 99% 49% tương ứng với COD, N-NH4+ TP Một số nghiên cứu cải tiến nhằm nâng cao hiệu xử lý phương pháp SBR thực Nghiên cứu Bortone [22] Filali [28] xử lý nước thải chăn nuôi lợn cho thấy chế độ cấp nước thải lần chu kỳ xử lý cho hiệu suất xử lý cao chế độ cấp nước thải lần Cho đến nay, việc nghiên cứu môi trường chăn nuôi nước ta chưa quan tâm cách đầy đủ Chỉ có số cơng trình nghiên cứu chất lượng mơi trường điểm chăn nuôi đơn lẻ công bố vài năm trở lại như: Báo cáo kết nghiên cứu môi trường khu vực chăn nuôi hai xã Trực Thái (Nam Định) Trung Châu (Hà Tây) Viện Chăn nuôi; Báo cáo Viện Công nghệ môi trường kết hợp với Viện Thú y Quốc gia kiểm tra mức độ nhiễm khuẩn chuồng nuôi gà Trung tâm nghiên cứu gia cầm Thụy Phương; Báo cáo kết thực Dự án liên minh Châu Âu – chương trình Asia ProEco “Phát triển chăn nuôi lợn, quản lý chất thải động vật bảo vệ mơi trường”, v.v Các cơng trình nghiên cứu đưa nhận định chung hầu hết lượng chất thải chăn nuôi Việt Nam không quản lý xử lý mà đổ tự môi trường xung quanh Các công trình nghiên cứu đề xuất số phương pháp xử lý chất thải Biogas De-odorase kết hợp với biện pháp cải thiện điều kiện vệ sinh chuồng trại như: nâng độ cao chuồng nuôi, cải tạo mái tạo độ thơng thốn, lắp dàn phun mưa, v.v Tuy nhiên, kết nghiên cứu thực khu vực chăn nuôi nhỏ, mô hình cơng nghệ dừng lại quy mơ thử nghiệm mà chưa có số liệu theo dõi, đánh giá với thời gian đủ dài thường xuyên để đưa số liệu hệ thống, làm sở cho việc đề xuất áp dụng phương pháp xử lý chất thải cách rộng rãi Một số nơi công nghệ xử lý chưa đạt kết mong đợi Vì vậy, khả triển khai áp dụng diện rộng biện pháp cải thiện mơi trường chăn ni cịn gặp nhiều khó khăn Chỉ có số nghiên cứu thử nghiệm thực tế đề tài nghiên cứu công nghệ lọc sinh học xử lý nước thải chăn nuôi Vĩnh Phúc Viện Công nghệ Môi trường thực năm 2007, đề tài nghiên cứu công nghệ Aeroten xử lý nước thải chăn nuôi trại lợn Hồng Liễn – Vũ Thư – Thái Bình Viện Công nghệ Môi trường thực giai đoạn 2006 – 2007 Tuy nhiên, hiệu xử lý công nghệ chưa cao chưa đáp ứng đòi hỏi thực tế suất đầu tư chi phí vận hành Chính nhu cầu có lâu mơ hình xây dựng vận hành thành công hệ xử lý nước thải chăn nuôi nước ta Công nghệ SBR (quá trình yếm khí, hiếu khí, thiếu khí thiết bị) áp dụng để xử lý nước thải cho ngành khác Việt Nam (Bệnh viện, nước thải sinh hoạt, v.v.) đạt hiệu cao kỹ thuật kinh tế Mặc dù nước thải chăn nuôi chưa nghiên cứu ứng dụng Đối với nước thải chăn ni lợn, đặc tính nước thải thay đổi lớn phụ thuộc vào phương pháp chăn nuôi, quy mô trang trại, quản lý chuồng trại (như việc có tách lỏng rắn hay khơng), điều kiện địa phương Những điều ảnh hưởng lớn đến quy mô xử lý lựa chọn phương pháp xử lý 10 Ở Việt Nam tập qn chăn ni cịn lạc hậu nên đặc tính nước thải chăn nuôi khác với nước giới Vì để đưa phương pháp SBR vào ứng dụng thực tế Việt Nam cần thiết phải tiến hành nghiên cứu để xác định điều kiện thơng số cơng nghệ q trình: thời gian sục khí/ngừng sục khí, tỷ lệ COD:N, tỷ lệ cấp nước thải, hiệu suất xử lý tải lượng giới hạn cho phép Xuất phát từ thực tiễn đó, đề tài nghiên cứu tìm chế độ vận hành thích hợp cơng nghệ SBR để xử lý nước thải chăn ni lợn có chứa thành phần chất hữu NH4+ cao, từ có sở ứng dụng thực tiễn để xử lý nước thải chăn ni 2.2 Tổng quan tình hình chăn nuôi lợn Trong báo cáo "Hiện trạng lương thực nông nghiệp" công bố ngày 23/2/2010, FAO nhấn mạnh chăn ni gia súc, gia cầm đóng vai trị quan trọng đời sống tỷ người nghèo giới, tạo thu nhập, cung cấp thực phẩm chất lượng cao, nhiên liệu, sức kéo, vật liệu xây dựng phân bón FAO nêu rõ chăn ni lĩnh vực phát triển nhanh nơng nghiệp Vì vậy, đầu tư lớn xây dựng sở lớn cần thiết để lĩnh vực tiếp tục đảm nhiệm vai trò thiết yếu tăng cường an ninh lương thực giảm đói nghèo Theo Tổ chức này, giới cần tăng đầu tư để phát triển chăn nuôi bền vững, đáp ứng nhu cầu tăng nhanh toàn cầu sản phẩm từ động vật thịt, sữa, v.v Tổng Giám đốc FAO, Jacques Diouf, cho phát triển chăn nuôi tảng để phát triển nông nghiệp Để đáp ứng nhu cầu tăng nhanh, sản lượng thịt hàng năm toàn cầu phải tăng từ mức 228 triệu lên 463 triệu vào năm 2050 Nhu cầu sản phẩm thịt tăng hội để ngành chăn nuôi phát triển, góp phần phát triển kinh tế xố đói nghèo nước phát triển Ngồi ra, chăn ni cịn đóng vai trị quan trọng việc thích nghi với biến đổi khí hậu giảm tác động biến đổi khí hậu phúc lợi người Trong thời gian qua, ngành chăn nuôi nước ta phát triển với tốc độ nhanh (Bình quân giai đoạn 2001-2006 đạt 8,9%) Riêng năm 2009, tình hình kinh tế cịn gặp nhiều khó khăn so với năm 2008 tổng đàn gia cầm đạt 208.18 triệu con, tăng 12.83%; đàn lợn đạt 27.6 triệu con, tăng 3.47%, (Thống kê năm 2009 - Cục Chăn nuôi) Theo thống kê ngày 01/10/2010 đàn lợn đạt 27.37 triệu 99% kỳ năm 2009 11 Trong năm gần đây, xu hướng chăn nuôi nhỏ lẻ giảm đáng kể Tỷ lệ số hộ nuôi lợn giảm rõ rệt từ 45% năm 1994 xuống 30% năm 2001 Tuy nhiên, tỷ lệ số hộ nuôi lợn năm 2001 chiếm 67% tổng số hộ (so với 82% năm 1994) Quy mô phát triển chăn nuôi hộ lớn cịn nhỏ, tính chun mơn hố chưa cao Trong xu chun mơn hóa sản xuất, hình thức chăn ni tập trung ngày phổ biến Việt Nam nước giới Hiện nay, số lượng trại chăn ni quy mơ lớn ngày tăng Tính đến năm 01/07/2010 nước có: 23.558 trang trại chăn nuôi, tăng 42% so với năm 2006, tăng 13% so với thời điểm năm 2009 Trong số nước thuộc khối Asean, Việt Nam nước chịu áp lực đất đai lớn Tốc độ tăng dân số q trình thị hóa làm giảm diện tích đất nơng nghiệp Để đảm bảo an tồn lương thực thực phẩm, biện pháp thâm canh chăn ni chăn ni lợn thành phần quan trọng định hướng phát triển Theo định số 10/2008/QĐ-TTg ngày 16/1/2008 Thủ tướng phủ việc phê duyệt chiến lược phát triển chăn ni đến năm 2020 thì: + Đến năm 2020 ngành chăn nuôi chuyển sang sản xuất phương thức trang trại, công nghiệp, đáp ứng phần lớn nhu cầu thực phẩm đảm bảo chất lượng cho tiêu dùng xuất khẩu; + Tỷ trọng chăn nuôi nông nghiệp đến năm 2020 đạt 42%, năm 2010 đạt khoảng 32% năm 2015 đạt 38%; + Đảm bảo an toàn dịch bệnh vệ sinh an tồn thực phẩm, khống chế có hiệu bệnh nguy hiểm chăn nuôi; + Các sở chăn nuôi, chăn nuôi theo phương thức trang trại, công nghiệp sở giết mổ, chế biến gia súc, gia cầm phải có hệ thống xử lý chất thải, bảo vệ giảm ô nhiễm môi trường + Mức tăng trưởng bình quân: giai đoạn 2008-2010 đạt khoảng 8-9% năm; giai đoạn 2010-2015 đạt khoảng 6-7% năm giai đoạn 2015-2020 đạt khoảng 5-6% năm 2.3 Tình hình quản lý chất thải chăn nuôi lợn Việt Nam 2.3.1 Chất thải rắn Phân gia súc chia thành loại: “nóng” “lạnh” Việc phân loại dựa tác dụng phân đến trồng Phân “nóng” có hàm lượng 12 chất dinh dưỡng dễ phân hủy cao nên bón làm bị “xót” làm ảnh hưởng đến phát triển rễ Ngược lại phân “lạnh” chứa nhiều chất hữu khó phân hủy (cellulo ) bón phân làm tăng độ tơi xốp, có chức cải tạo đất Phân gia súc sử dụng nơng nghiệp với hình thức sau: bón cây, cải tạo đất, ni cá, v.v Công tác quản lý chất thải chăn nuôi lợn gặp nhiều khó khăn, việc sử dụng phân lợn nơng nghiệp cịn bị hạn chế phân lợn khơng giống phân bị hay gia cầm khác Phân lợn ướt thối nên khó thu gom vận chuyển, phân lợn phân “nóng” khó sử dụng, hiệu khơng cao làm chết suất trồng (sầu riêng mùi, nhãn khơng ) Theo điều tra tình hình quản lý chất thải chăn nuôi số huyện thuộc TP HCM số tỉnh lân cận [11] Chỉ có 6% số hộ ni lợn có bán phân cho đối tượng sử dụng để nuôi cá làm phân bón Khoảng 29% số hộ chăn ni lợn sử dụng phân cho bể biogas 9% hộ dùng phân lợn để nuôi cá Theo kết điều tra đánh giá trạng môi trường Viện Chăn nuôi (2006) sở chăn ni lợn có quy mơ tập trung Hà Nội, Hà Tây, Ninh Bình, Nam Định, Quảng Nam, Bình Dương, Đồng Nai cho thấy: Chất thải rắn bao gồm chủ yếu phân, chất độn chuồng, thức ăn thừa xác gia súc, gia cầm chết Kết điều tra trạng quản lý chất thải chăn nuôi cho thấy 10 sở chăn nuôi lợn sở chăn nuôi gà, 100% số sở chăn nuôi chưa tiến hành xử lý chất thải rắn trước chuyển ngồi khu vực chăn ni Các sở có khu vực tập trung chất thải vị trí cuối trại, chất thải thu gom đóng bao tải để bán cho người tiêu thụ làm phân bón nuôi cá Các bao tải tái sử dụng nhiều lần, không vệ sinh tiêu độc nên nguy gây ô nhiễm môi trường lây nhiễm lan truyền dịch bệnh từ trang trại sang trang trại khác cao Đối với phương thức nuôi lợn sàn bê tơng phía hầm thu gom khơng thu chất thải rắn Tồn chất thải, bao gồm phân, nước tiểu, nước rửa chuồng hòa lẫn dẫn bể biogas 2.3.2 Chất thải lỏng Đây loại chất thải sử dụng khó quản lý do: - Lượng nước thải lớn, lượng nước sử dụng cho nhu cầu uống, rửa chuồng tắm cho lợn 30-50 lít nước/1con.ngđ 13 - Nước thải có mùi thối, khó vận chuyển xa để sử dụng cho mục đích nơng nghiệp nuôi trồng thủy sản; - Lượng nước thải q lớn, khơng thể sử dụng hết cho diện tích đất canh tác xung quanh Việc quản lý chất thải lỏng chăn nuôi lợn vấn đề nan giải, nước thải chăn ni lợn có nhiều chất hữu Lưu lượng nước thải cao số lượng lợn nuôi nhiều lợn tắm nhiều lần ngày, lúc trời nóng (lưu lượng nước sử dụng lợn trưởng 30-50 lít/1 con/ ngày) Theo điều tra tình hình quản lý chất thải chăn ni số huyện thuộc TP HCM số tỉnh lân cận [11] cho thấy: Nước thải dùng cho mục đích nơng nghiệp (15%) Đối với trang trại khơng có đất trồng trọt nước thải phần lớn xử lý sơ sau thải mơi trường (45%) Có khoảng 40% số trang trại sử dụng bể Biogas để xử lý nước thải Theo kết điều tra đánh giá trạng môi trường Viện chăn ni (2006) sở chăn ni lợn có quy mô tập trung thuộc Hà Nội, Hà Tây, Ninh Bình, Nam Định, Quảng Nam, Bình Dương, Đồng Nai cho thấy: nước thải sở chăn nuôi lợn bao gồm nước tiểu, rửa chuồng, máng ăn, máng uống nước tắm rửa cho lợn Cả 10 sở chăn ni lợn điều tra có có hệ thống xử lý chất thải lỏng công nghệ biogas Kết điều tra cho thấy hệ thống xử lý nước thải trang trại là: Nước thải bể Biogas hồ sinh học thải môi trường, hầu hết trang trại chăn nuôi lợn khác có sơ đồ xử lý chất thải [12] Nhìn chung, việc quản lý chất thải chăn ni lợn gặp nhiều khó khăn Nhu cầu sử dụng chất thải chăn ni lợn nơng nghiệp cịn thấp Vì cần có nhiều biện pháp tích cực kết hợp để giải vấn đề quản lý khắc phục ô nhiễm môi trường lượng chất thải chăn nuôi gây 2.4 Một số phương pháp xử lý nước thải chăn nuôi Đối với nước thải chăn ni, áp dụng phương pháp xử lý sau: - Phương pháp xử lý học - Phương pháp xử lý hóa lý - Phương pháp xử lý sinh học 14 Trong phương pháp trên, xử lý sinh học phương pháp chính, cơng trình xử lý sinh học thường đặt sau cơng trình xử lý học, hóa lý 2.4.1 Xử lý nước thải chăn nuôi phương pháp học hóa lý * Xử lý học Mục đích tách cặn rắn phân khỏi hỗn hợp nước thải cách thu gom, lắng cặn Có thể dùng song chắn rác, bể lắng, v.v để loại bỏ cặn dễ lắng tạo điều kiện xử lý giảm khối tích cơng trình phía sau * Xử lý hóa lý Sau xử lý học, nước thải cịn chứa nhiều cặn hữu vơ có kích thước nhỏ, dùng phương pháp keo tụ để loại bỏ chúng Theo nghiên cứu Trương Thanh Cảnh (2001) với nước thải chăn nuôi lợn: phương pháp học keo tụ tách 80-90% hàm lượng cặn nước thải chăn nuôi lợn Tuy nhiên phương pháp địi hỏi chi phí cao khơng phù hợp với sở chăn ni Ngồi ra, tuyển phương pháp để loại bỏ cặn nước thải chăn nuôi lợn, nhiên chi phí đầu tư vận hành cao nên khơng phù hợp với sở chăn nuôi 2.4.2 Phương pháp ứng dụng công nghệ sinh thái sử dụng thực vật thủy sinh Sự thâm nhập chất hữu cơ, N P từ nước thải nước thải chăn nuôi nguyên nhân gây phú dưỡng (eutrophication) thuỷ vực tiếp nhận dẫn đến tượng “nở hoa nước” vi tảo bao gồm vi khuẩn lam (VKL) độc phát triển mạnh, làm cân sinh thái suy giảm chất lượng nước Nghiêm trọng hơn, môi trường nước trở nên hôi thối, sử dụng ảnh hưởng xấu đến môi trường sống sức khỏe cộng đồng Trong xử lý nước thải giầu nitơ phốt pho, công nghệ sinh thái (CNST) sử dụng thực vật thuỷ sinh (TVTS) có nhiều ưu điểm, thân thiện môi trường, nhiều nước quan tâm Để ngăn ngừa tượng phú dưỡng nở rộ độc hại vi khuẩn lam, nhiều nước giới, đặc biệt nước khu vực Châu Á - Thái Bình Dương kỹ thuật Cơng nghệ sinh học - sinh thái phát triển ứng dụng rộng rãi Nhật Bản, Thái Lan, Trung Quốc, v.v Công nghệ sinh học - sinh thái dựa sở hoạt động hệ thống sinh thái tự nhiên nhân tạo (bao gồm động - thực vật vi sinh vật), 15 thân thiện với mơi trường, địi hỏi lượng, có tính phổ cập cao khả thi điều kiện nước ta, phương pháp sử dụng thực vật thuỷ sinh (TVTS) coi có hiệu kinh tế xã hội TVTS sử dụng nitơ, phốtpho nguyên tố vi lượng khác trao đổi chất Tại nước phát triển Đức, Mỹ, Pháp, Nhật Bản, Hàn Quốc, v.v, công nghệ xử lý nước thải sử dụng TVTS phát triển thành công Tại Pháp, năm 1993 có tới 2600 trạm xử lý nước thải kết hợp sử dụng ao ổn định Bắt đầu từ năm 1980 nhiều sở xử lí nước thải bang nước Mỹ phát triển ứng dụng cơng nghệ xử lí nhiễm với việc sử dụng loài thực vật hệ thống hồ ổn định Phương pháp xử lí nhiễm hữu vô vùng rễ số TVTS - gọi “Phương pháp vùng rễ”, nhà khoa học Đức nghiên cứu triển khai có hiệu nhiều nơi Các nhà khoa học Nhật Bản thiết kế hệ thống làm nước ô nhiễm sử dụng hệ sinh thái TVTS dạng Biopark để giảm bớt ô nhiễm hồ lớn, thơng qua kiểm sốt tượng nở hoa nước vi tảo phát triển có tảo độc 2.4.3 Xử lý nước thải chăn ni lợn phương pháp sinh học kỵ khí Năm 1992 International Development Research Centre (IDRC), Canada xuất tài liệu đầy đủ lĩnh vực quản lí xử lý chất thải chăn nuôi lợn Đây sản phẩm chương trình lớn (từ 1975 đến 1990) Chính phủ Singapore, quốc tế tài trợ (Australian Development Assistance Bureau, FAO, German Technical Assistance Agency (GTZ), IDRC (Canada), UNDP, ASEAN), điều hành trực tiếp TS Ngiam Tong Tau – 1984 trở thành Giám đốc The Primary Production Department of Singapore có tham gia hàng trăm chuyên gia quốc tế, bao trùm lĩnh vực, yếu tố liên quan đến bảo vệ môi trường ngành chăn nuôi lợn, từ khâu giống, thức ăn chuồng trại tới sách liên quan Về khía cạnh kĩ thuật tài liệu trình bày chi tiết cơng nghệ xử lý chất thải, nước thải, kĩ thuật áp dụng Tài liệu bao trùm gồm vấn đề thu hồi lượng tái sử dụng nước (thu hồi biogas, tuần hồn nước tiền xử lí rửa chuồng, dùng nước thải nuôi tảo làm thức ăn chăn nuôi giàu đạm, v.v.) Q trình phân hủy kỵ khí hợp chất hữu q trình sinh hóa phức tạp, bao gồm hàng trăm phản ứng hợp chất trung gian, phản ứng xúc tác enzym đặc biệt Những q trình phân hủy kỵ khí 16 ứng dụng rộng rãi xử lý bùn thải phân, sau phương pháp áp dụng cho xử lý nước thải nhờ có ưu điểm sau: - Khả chịu tải trọng cao so với q trình xử lý hiếu khí; - Thời gian lưu bùn không phụ thuộc vào thời gian lưu nước Một lượng sinh khối lớn giữ lại bể; - Chi phí xử lý thấp (khơng phải cung cấp oxy q trình xử lý hiếu khí); - Tạo nguồn lượng sử dụng (khí sinh học – Biogas); - Hệ thống cơng trình xử lý đa dạng: UASB, lọc kỵ khí, kỵ khí xáo trộn hồn tồn, kỵ khí tiếp xúc Bên cạnh ưu điểm trên, trình xử lý kỵ khí có số nhược điểm sau: - Nhạy cảm với môi trường (nhiệt độ, pH, nồng độ kim loại nặng, v.v); - Phát sinh mùi; - Tốc độ phát triển sinh khối chậm Trong cơng nghệ kỵ khí cần lưu ý yếu tố quan trọng: - Duy trì sinh khối nhiều tốt; - Tạo tiếp xúc đủ nước thải sinh khối vi khuẩn 2.4.3.1 Bể Biogas Đây phương pháp xử lý kỵ khí đơn giản, thấy hầu hết sở chăn nuôi quy mô trang trại, kể quy mô hộ gia đình Ưu điểm bể Biogas sản xuất nguồn lượng khí sinh học để thay phần nguồn lượng khác Trong bể Biogas chất hữu phân hủy phần, sau Biogas nước thải có hàm lượng chất hữu thấp mùi Bùn cặn bể biogas sử dụng để cải tạo đất nơng nghiệp Cùng với việc có nguồn lượng sử dụng, cịn góp phần giảm thiểu tượng chặt phá rừng bảo vệ môi trường Khí Biogas nguồn lượng có triển vọng tương lai đồng thời góp phần bảo vệ mơi trường bảo tồn tài nguyên thiên nhiên Khí Biogas hỗn hợp bao gồm CH4, CO2, N2, H2S số khí khác Thành phần chủ yếu CH4 (60-70%) CO2 (30-40%) Khi đốt cháy 1m3 hỗn hợp khí biogas sinh nhiệt lượng khoảng 4.500-6.000 calo/m3 17 tương đương với lít cồn, 0,8 lít xăng, 0,6 lít dầu thơ, 1,4 kg than hoa hay 2,2 kW điện Bảng 2.3: Thành phần khí hỗn hợp khí Biogas [5] Loại khí CH4 CO2 N2 H2 H2 S Thành phần khí 55-65% 35-45% 0-3% 0-1% 0-1% Tùy thuộc vào thành phần tính chất nước thải chăn nuôi, thời gian lưu nước, tải trọng chất hữu cơ, nhiệt độ,v.v mà lượng khí sinh khác 2.4.3.2 Hồ kỵ khí Chiều sâu hồ khoảng 3-5m, lớp nước hồ khuấy đảo nhờ bọt khí sinh từ q trình kỵ khí đáy yếu tố khác gió, chuyển động đối lưu Hiệu xử lý hồ kỵ khí phụ thuộc vào thời gian lưu tải lượng chất hữu Tải trọng BOD hồ kỵ khí tương đối cao, từ 200500 kgBOD/ha.ngày Hiệu khử BOD từ 50-85% Hàm lượng chất lơ lửng khỏi hồ 80-160 mg/l 2.4.3.3 Q trình lọc sinh học kỵ khí Kỹ thuật lọc yếm khí sử dụng thực tế lần vào năm 1969, kỹ thuật phù hợp với nước thải có hàm lượng chất hữu cao Tải lượng chất hữu bể lọc yếm khí đạt tới - 20 kgBOD/m3.ngàyđêm Q trình lọc kỵ khí dính bám, sử dụng giá thể mang vi sinh sỏi, đá, vòng nhựa tổng hợp, nhựa, xơ dừa để xử lý nước thải điều kiện khơng có oxy Bể lọc kỵ khí có dòng chảy hướng lên dòng chảy ngang Nước thải qua tiếp xúc với toàn lớp vật liệu lọc Sinh khối dính bám bề mặt lớp vật liệu lọc cố định sinh khối giữ lại bể với thời gian lâu thời gian lưu nước (thời gian lưu nước 8h, thời gian lưu bùn lên đến 100 ngày) 2.4.3.4 Q trình kỵ khí UASB Hệ thống nghiên cứu ứng dụng Gatze Lettinga cộng trường đại học Wageningen Hà Lan từ năm 1970, 18 thích hợp cho việc xử lý nước thải có hàm lượng chất hữu từ thấp tới cao vùng nhiệt đới Trong trình xử lý, UASB làm giảm hàm lượng chất hữu nước thải sinh lượng khí Biogas đáng kể Nước thải đưa từ lên qua lớp bùn kỵ khí lơ lửng dạng hạt Q trình sinh hóa diễn nước thải tiếp xúc với lớp hạt bùn Khí sinh kéo bùn lên lơ lửng bể tạo khuấy trộn bùn nước Khi lên đến đỉnh bọt khí va chạm với chắn nghiêng, bọt khí giải phóng tự cịn bùn rơi xuống theo trọng lực Tấm chắn đặt nghiêng vùng tách pha để tăng tiết diện, tiết diện dòng chảy tăng làm giảm tốc độ lắng pha rắn vùng này, bùn tích tụ bề mặt chắn nghiêng đủ lớn tách rơi xuống vùng lắng 2.4.3.5 Bể EGSB (Expanded Granular Slugde Bed) Một yếu tố quan trọng hệ UASB dạng tập hợp sinh khối, sinh khối keo tụ thành hạt bùn: kích thước 1-5mm, khối lượng riêng lớn, độ bền học cao, tốc độ sa lắng lớn hoạt tính methane hóa cao Một hệ UASB thơng thường khơng có khả tạo hạt bùn có tính chất có hiệu xử lý cao, chứng tỏ chúng điều kiện tiên cho hiệu xử lý hệ, từ quan điểm người ta biến thể hệ UASB thành hệ EGSB Năm 1983 Lettinga CS, phát minh hệ thống EGSB - Expanded Granular Sludge Bed (lớp bùn hạt mở rộng) Dòng nước thải vào hệ thống theo chiều từ lên, qua lớp bùn hạt mở rộng, chứa vi sinh vật kỵ khí để phân huỷ chất hữu chứa bùn thải Vận tốc dịng lên hệ thống đạt m/h, cao nhiều hệ thống UASB (0,6 - 0,9m/h) Nước thải khỏi hệ thống tuần hồn trở lại phần, tải lượng bể EGSB (2-4kgCOD/m 3.ngày) thấp so với bể UASB 2.4.4 Xử lý nước thải chăn nuôi lợn phương pháp hiếu khí – thiếu khí Nước thải chăn nuôi lợn nguồn thải ô nhiễm trầm trọng môi trường Loại nước thải khó xử lý, nồng độ hữu nitơ nước thải cao Vì vậy, phát triển công nghệ xử lý nước thải chăn nuôi lợn có hiệu kinh tế quan tâm đặc biệt nhà khoa học giới Việt Nam Đối với loại nước thải này, bước xử lý thường q trình sinh học yếm khí, bước trình sinh